實驗一 電容反饋三點式振蕩器的實驗研究

實驗一電容反饋三點式振蕩器的實驗研究一、實驗?zāi)康?．通過實驗深入理解電容反饋三點式振蕩器的工作原理，熟悉改進型電容反饋三點式振蕩器的構(gòu)成及電路各元件作用；2．研究在不同的靜態(tài)工作點時，對振蕩器起振、振蕩幅度和振蕩波形的影響；3．學習使用示波器和數(shù)字式頻率計測量高頻振蕩器振蕩頻率的方法；4．觀察電源電壓和負載變化對振蕩幅度、頻率及頻率穩(wěn)定性的影響。二、實驗原理電容反饋三點式振蕩器的基本原理電路(考比茲振蕩器)如圖2-1(a)所示。由圖可知，反饋電壓由C1和C2分壓得到，反饋系數(shù)為(2-1)起振的幅度條件為(忽略三極管ge)(2-2)其中，gm為晶體管跨導(dǎo)，gp為振蕩回路的等效諧振電導(dǎo)。圖2-1(a)所示等效電路中的回路總電容為(2-3)振蕩頻率近似為(2-4)當外界條件(如溫度等)發(fā)生變化時，振蕩回路元件及晶體管結(jié)電容要發(fā)生變化，從而使得振蕩頻率發(fā)生漂移。因此，為了改善普通電容反饋三點式振蕩器的頻穩(wěn)度，可在振蕩回路中引入串接電容C3，如圖2-1(b)所示，當滿足C3<<C1、C2時，C3明顯減弱了晶體管與振蕩回路的耦合程度。為了得到較寬的波段覆蓋效果，引入并聯(lián)電容C4(它和C3為同一個數(shù)量級)，回路總電容近似為C≈C3+C4。這種改進型電容反饋振蕩器稱為西勒電路，其振蕩頻率為(2-5)當改變C4調(diào)節(jié)fg時，振蕩器的反饋系數(shù)不會受顯著影響。圖2-2改進型電容反饋振蕩器實驗電路圖2-2改進型電容反饋振蕩器實驗電路①②③④⑤VT1VT2圖2-1電容反饋三點式振蕩器的交流等效電路圖C1C2LC1C2LC4C3(a)(b)本實驗電路采用西勒振蕩器，如圖2-2所示。由圖可知，電容C1、C2、C3、C4和電感L1組成振蕩回路。晶體管VT1的集電極直流負載為RC，偏置電路由R1、R2、W1和Re構(gòu)成，改變電位器W1可改變VT1的靜態(tài)工作點。靜態(tài)電流的選擇既要保證振蕩處于截止平衡狀態(tài)，也要兼顧開始建立振蕩時有足夠大的電壓增益。晶體管VT2與R3、R4組成一級起隔離作用的射隨器。另外，為了用頻率計(輸入阻抗為50Ω)測量振蕩器工作頻率時不影響電路的正常工作，接入了電阻R7(1kΩ)。圖中振蕩器的交流負載實驗電阻為R5、R6。四、實驗儀器及設(shè)備1．直流穩(wěn)壓電源SS3323型1臺2．數(shù)字示波器DSO-X2012A型1臺3．高頻信號發(fā)生器TFG6080型1臺4．數(shù)字式頻率計F1000型1臺5．數(shù)字萬用表DT9202A型1臺6．實驗電路板1塊五、實驗內(nèi)容1．晶體管靜態(tài)工作點不同時對振蕩器輸出幅度和波形的影響(1)接通+12V電源，調(diào)節(jié)電位器W1使振蕩器振蕩，此時用示波器在④點剛好觀察到不失真的正弦電壓波形(負載電阻R5或R6暫不接入)。探頭f（MHz）UO（mV）8.0638257.992400t～UO曲線（x10）：t～UO曲線（x1）：(2)調(diào)節(jié)W1使振蕩管靜態(tài)工作點電流IeQ在0.5～4mA之間變化(用萬用表測量射極電阻Re兩端電壓，計算出相應(yīng)電流近似為IeQ大小，至少取5個點)，用示波器測量并記錄下④點的幅度與波形變化情況，繪制出IeQ～u0曲線圖。分析靜態(tài)工作點過大和過小為什么都不振蕩。IeQ（mA）u0（mV）10.54447.5020.891378.1231.031675.0042.043712.5052.904700.0063.404912.50m～UΩm曲線：結(jié)果分析：振蕩器要振蕩的條件是滿足相位條件和幅度條件的。而在幅度條件的具體表示是，同時，當靜態(tài)工作點較低的時候，使得較小，從而使得較小，而同時不變，則就使得從而不能滿足起振的條件，因此不能振蕩。并且LC正弦波振蕩電路設(shè)置直流靜態(tài)工作點的目的是為了使放大器在起振時工作在放大區(qū)(甲類狀態(tài))。如果直流工作點過低,很容易進入截止區(qū),造成不起振。靜態(tài)電流取得太大，振蕩管工作范圍容易進入飽和區(qū)，輸出阻抗降低。并且IeQ較大的時候三極管的放大倍數(shù)會減小，使得輸出幅度變小。根據(jù)起振條件AB>1，當電流過大的時候會使得A下降并且B不變，這就使得當靜態(tài)電流大的一定的時候，AB1使得振蕩器就停止振蕩了。2．外界條件發(fā)生變化時對振蕩頻率的影響及正確測量振蕩頻率(1)選擇一合適的IeQ(1～2mA)，使振蕩器正常工作，在④點上測量，從示波器上讀出頻率和幅度，再測量③點和⑤點，分別讀出振蕩器的振蕩幅度和頻率，分析上述幾點的頻率和幅度為何不同。（問題：在⑤點和③點用頻率計(或示波器)所測得頻率不同是什么原因？哪一點測得的結(jié)果更準確？）IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）③點④點⑤點③點④點⑤點1.27.948.108.1058022001185結(jié)果分析：頻率相同的分析：④點和⑤點之間只有一個電阻，不會影響頻率，因而使得④點和⑤點的頻率相同。頻率不同的分析：對③點的頻率要比在④和⑤點的頻率要低。是因為是因為示波器的探頭接入后會產(chǎn)生分布電容，由于探頭接入的部分不同，那么分布電容的產(chǎn)生的影響也會不同。在③點接入探頭的時候，使得LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電容值C變大，根據(jù)諧振頻率的公式，現(xiàn)在C變大，所以將變小。而在④點和⑤點測量時，因為一個起隔離作用的射隨器使得在④點和⑤點接入示波器探頭的時候?qū)τ谇懊娴腖C選頻網(wǎng)絡(luò)基本不起作用，所以不會影響諧振頻率。因此對于測得的頻率，④點和⑤點處測得的頻率較準確。幅度不同的分析：雖然③點之后接入的是一個起隔離作用的射隨器，但是因為探頭接入③點會使的示波器探頭會分壓，從而使得在③點測得的幅度要比④點和⑤電測得的幅度都要小。而對于④點和⑤點，雖然頻率相同，但是在幅度上是不同的。是因為在④點和⑤點之間有一個電阻，而電阻是要消耗功率的，雖然振蕩產(chǎn)生的電流較小，但是經(jīng)過射隨器的作用使得在射隨器的輸出的時候電流變大而使得在電阻上消耗的功率變大，所以使得⑤點的幅度比④點的幅度要小。(2)用數(shù)字式頻率計(以kHz為單位，測到小數(shù)點后面第二位有效數(shù)字)重測，試比較在③點測量和在⑤點測量有何不同？為什么？用數(shù)字式頻率計測量⑤點，可每10秒鐘左右記錄一次頻率值，至少記錄5次，計算出振蕩器頻穩(wěn)度的數(shù)量級。③點f（MHz）⑤點f（MHz）7.85291123458.086358.086368.086388.086348.08640結(jié)果分析：在③點測得的頻率要不比⑤點測得的頻率要低。是因為示波器的探頭接入后會產(chǎn)生分布電容，由于探頭接入的部分不同，那么分布電容的產(chǎn)生的影響也會不同。在③點接入探頭的時候，使得LC選頻網(wǎng)絡(luò)的電容值C變大，根據(jù)諧振頻率的公式,現(xiàn)在C變大，所以將變小。而在⑤點測量時因為一個起隔離作用的射隨器使得在⑤點接入示波器探頭的時候?qū)τ谇懊娴腖C選頻網(wǎng)絡(luò)基本不起作用，所以不會影響諧振頻率。振蕩器頻穩(wěn)度的數(shù)量級：10(3)將不同負載電阻(R5和R6)分別接入電路，調(diào)節(jié)W1，用示波器在④點觀察，看能否起振，記錄輸出振幅和波形的變化，若不起振，分析是什么原因。IeQ（mA）④點f（MHz）④點UO（mV）不接負載R5R6不接負載R5R61.28.108.100195013560結(jié)果分析：不起振的原因分析：根據(jù)起振的幅度條件。當接入負載后會影響品質(zhì)因數(shù)。，當變小的時候會使得變小，，當變小的時候會使得變大，從而使得變大。當變小的一定程度的時候就使得振蕩器不滿足振蕩條件從而不起振。不接負載的時候的波形：接入R5的時候的波形：(4)將負載斷開，改變電源電壓VCC分別為+6V、+8V、+10V、+12V、+14V、+16V、+18V，保持振蕩器一合適的靜態(tài)工作點不變，用示波器測量④點，并記錄振蕩器輸出振幅、波形和頻率的變化。IeQ（mA）f（MHz）UO（mV）是否失真1.2+6V8.131770否+8V8.061850否+10V8.061950否+12V8.101950否+14V8.061950否+16V8.062000否+18V8.102005否+6V時的波形：+8V時的波形：+10V時的波形：+12V時的波形：+14V時的波形：+16V時的波形：+18V時的波形：結(jié)果分析：振蕩器能正常的起振，根據(jù)公式，都沒有發(fā)生變化，所以諧振的頻率是不變的。六、實驗思考1．畫出實驗電路的交流等效電路，當取C1=180pF，C2=330pF，L1=10μH時(圖2-2中已給出C3，C4為10pF電容)，計算振蕩頻率fg、反饋系數(shù)B各等于何值？實驗電路的交流等效電路：2．若接通電源后發(fā)現(xiàn)振蕩器并未起振，試估計可能是哪些原因造成的？如何解決？①靜態(tài)工作點過低或者過高，使三極管太接近截止區(qū)或者是飽和區(qū)，從而使得振蕩器不滿足起振的條件。解決辦法就是調(diào)整電位器W1，從而來調(diào)整靜態(tài)工作點。②將K2接通了，使得接入了R6的負載，使得品質(zhì)因數(shù)下降使得，振蕩器不滿足震蕩的初始條件，從而不起振。解決辦法將K2斷開，使得振蕩器空載。3．若③點波形正常但幅度太大，問④點波形會不會出現(xiàn)失真？為什么？④點波形會出現(xiàn)失真，改點的失真不是因為振蕩器產(chǎn)生的失真，而是因為后面的起隔離作用的射隨器，當③點的波形幅度太大會使后一級的射隨